Rozwój stal sięgają 4000 lat wstecz do początku epoki żelaza. Udowodniono, że jest twardszy i mocniejszy niż brąz, który wcześniej był najczęściej używanym metalem, żelazo zaczął wypierać brąz w broni i narzędziach.
Jednak przez kilka następnych tysięcy lat jakość produkowanego żelaza zależałaby w równym stopniu od dostępnej rudy, jak i od metod produkcji.
W XVII wieku właściwości żelaza były dobrze znane, ale rosnąca urbanizacja w Europie wymagała bardziej wszechstronnego metalu konstrukcyjnego. A do XIX wieku ilość żelaza zużywanego przez rozbudowę linii kolejowych metalurgów z zachętą finansową, aby znaleźć rozwiązanie problemu kruchości żelaza i nieefektywnych procesów produkcyjnych.
Niewątpliwie jednak największy przełom w historii stali nastąpił w 1856 roku, kiedy rozwinął się Henry Bessemer skuteczny sposób wykorzystania tlenu do obniżenia zawartości węgla w żelazie: był to nowoczesny przemysł stalowy urodzony.
Era żelaza
W bardzo wysokich temperaturach żelazo zaczyna absorbować węgiel, co obniża temperaturę topnienia metalu, w wyniku czego powstaje żeliwo (od 2,5 do 4,5% węgla). Rozwój wielkich pieców, używanych po raz pierwszy przez Chińczyków w VI wieku pne, ale szerzej stosowanych w Europie w średniowieczu, spowodował wzrost produkcji żeliwa.
Surówka to stopione żelazo wypływające z wielkich pieców i chłodzone w głównym kanale i przyległych formach. Duże, centralne i sąsiadujące mniejsze wlewki przypominały lochę i prosięta.
Żeliwo jest wytrzymałe, ale jest kruche ze względu na zawartość węgla, przez co nie jest idealne do obróbki i kształtowania. Gdy metalurgowie zdali sobie sprawę, że wysoka zawartość węgla w żelazie ma kluczowe znaczenie dla problemu kruchość, eksperymentowali z nowymi metodami zmniejszania zawartości węgla, aby uczynić żelazo więcej wykonalny.
Pod koniec XVIII wieku hutnicy nauczyli się przekształcać żeliwo szare w kute żelazo o niskiej zawartości węgla przy użyciu pieców puddingowych (opracowanych przez Henry'ego Corta w 1784 r.). W piecach rozgrzano stopione żelazo, które musiało być mieszane przez pudlarzy przy użyciu długich narzędzi w kształcie wiosła, umożliwiając łączenie się tlenu z węglem i jego powolne usuwanie.
Wraz ze spadkiem zawartości węgla wzrasta temperatura topnienia żelaza, więc masy żelaza gromadzą się w piecu. Te masy byłyby usuwane i obrabiane młotkiem kuźniczym przez puddlera przed zwinięciem ich w arkusze lub szyny. W 1860 r. W Wielkiej Brytanii było już ponad 3000 pieców do puddingu, ale proces ten pozostawał utrudniony ze względu na pracochłonność i intensywność paliwową.
Jedna z najwcześniejszych form stali, blister, rozpoczęła produkcję w Niemczech i Anglii w XVII wieku wieku i został wyprodukowany poprzez zwiększenie zawartości węgla w stopionej surówce za pomocą procesu znanego jako cementowanie. W tym procesie pręty z kutego żelaza zostały ułożone warstwą sproszkowanego węgla drzewnego w kamiennych skrzyniach i podgrzane.
Po około tygodniu żelazo wchłonęłoby węgiel z węgla drzewnego. Wielokrotne ogrzewanie rozprowadziłoby węgiel bardziej równomiernie, a wynikiem po schłodzeniu była stal blister. Wyższa zawartość węgla sprawiła, że stal blistrowa była znacznie bardziej podatna na obróbkę niż surówka, umożliwiając jej prasowanie lub walcowanie.
Produkcja stali blistrowej rozwinęła się w latach czterdziestych XVIII wieku, kiedy angielski zegarmistrz Benjamin Huntsman próbował opracować wysokiej jakości stal do swojego zegara sprężyny, odkryły, że metal można topić w glinianych tyglach i rafinować specjalnym topnikiem w celu usunięcia żużla pozostawionego w procesie cementacji za. Rezultatem był tygiel lub odlew ze stali. Jednak ze względu na koszt produkcji zarówno blister, jak i stal odlewana były kiedykolwiek używane tylko w zastosowaniach specjalistycznych.
W rezultacie żeliwo wytwarzane w piecach do puddingu pozostawało głównym metalem konstrukcyjnym w industrializowaniu Wielkiej Brytanii przez większą część XIX wieku.
Proces Bessemera i nowoczesne hutnictwo
Rozwój kolei w XIX wieku zarówno w Europie, jak i Ameryce wywarł ogromną presję na przemysł żelazny, który wciąż borykał się z nieefektywnymi procesami produkcyjnymi. Stal nadal nie została udowodniona jako metal konstrukcyjny, a produkcja tego produktu była powolna i kosztowna. Było to do 1856 roku, kiedy Henry Bessemer wymyślił skuteczniejszy sposób wprowadzania tlenu do stopionego żelaza w celu zmniejszenia zawartości węgla.
Znany obecnie jako proces Bessemera, Bessemer zaprojektował zbiornik w kształcie gruszki, nazywany „konwerterem”, w którym żelazo może być podgrzewane, podczas gdy przez stopiony metal przedmuchiwany jest tlen. Gdy tlen przechodził przez stopiony metal, reagowałby z węglem, uwalniając dwutlenek węgla i wytwarzając czystsze żelazo.
Proces był szybki i niedrogi, usuwając węgiel i krzem z żelaza w ciągu kilku minut, ale cierpiał na zbyt duży sukces. Usunięto zbyt dużo węgla, aw produkcie końcowym pozostało zbyt dużo tlenu. Bessemer ostatecznie musiał spłacić swoich inwestorów, dopóki nie znalazł sposobu na zwiększenie zawartości węgla i usunięcie niechcianego tlenu.
Mniej więcej w tym samym czasie brytyjski metalurg Robert Mushet nabył i rozpoczął testowanie związku żelaza, węgla i mangan, znany jako spiegeleisen. Wiadomo było, że mangan usuwa tlen ze stopionego żelaza, a zawartość węgla w spiegeleisen, dodana w odpowiednich ilościach, zapewniłaby rozwiązanie problemów Bessemera. Bessemer z wielkim sukcesem zaczął dodawać ją do swojego procesu konwersji.
Pozostał jeden problem. Bessemerowi nie udało się znaleźć sposobu na usunięcie fosforu, szkodliwej nieczystości powodującej kruchość stali, z jego produktu końcowego. W konsekwencji można było używać tylko rudy bez fosforu ze Szwecji i Walii.
W 1876 roku Walijczyk Sidney Gilchrist Thomas wymyślił rozwiązanie, dodając chemicznie zasadowy topnik, wapień, do procesu Bessemera. Wapień wciągał fosfor z surówki do żużla, umożliwiając usunięcie niepożądanego pierwiastka.
Ta innowacja oznaczała, że wreszcie do produkcji stali można użyć rudy żelaza z dowolnego miejsca na świecie. Nic dziwnego, że koszty produkcji stali zaczęły znacznie spadać. Ceny szyn stalowych spadły o ponad 80% w latach 1867-1884 w wyniku nowych technik produkcji stali, zapoczątkowujących rozwój światowego przemysłu stalowego.
Proces z otwartym paleniskiem
XIX wieku niemiecki inżynier Karl Wilhelm Siemens jeszcze bardziej ulepszył produkcję stali, tworząc proces otwartego paleniska. Proces na wolnym powietrzu produkował stal z surówki w dużych płytkich piecach.
Proces wykorzystujący wysokie temperatury do wypalania nadmiaru węgla i innych zanieczyszczeń polegał na ogrzewaniu ceglanych komór pod paleniskiem. Piece regeneracyjne wykorzystywały później spaliny z pieca do utrzymania wysokich temperatur w ceglanych komorach poniżej.
Ta metoda pozwoliła na produkcję znacznie większych ilości (w jednym piecu można wyprodukować 50-100 ton metrycznych), okresowych badanie stopionej stali, aby można było ją wyprodukować zgodnie z określonymi specyfikacjami i wykorzystanie złomu stalowego jako surowca materiał. Chociaż sam proces był znacznie wolniejszy, w 1900 roku proces z otwartym paleniskiem zastąpił przede wszystkim proces Bessemera.
Narodziny przemysłu stalowego
Rewolucja w produkcji stali, która zapewniła tańszy, wyższej jakości materiał, została uznana przez wielu biznesmenów za okazję inwestycyjną. Kapitaliści końca XIX wieku, w tym Andrew Carnegie i Charles Schwab, zainwestowali i zarobili miliony (miliardy w przypadku Carnegie) w przemyśle stalowym. Carnegie's US Steel Corporation, założona w 1901 roku, była pierwszą korporacją o wartości ponad miliarda dolarów.
Produkcja stali przy użyciu elektrycznego pieca łukowego
Tuż po przełomie wieków nastąpił kolejny rozwój, który miałby silny wpływ na ewolucję produkcji stali. Elektryczny piec łukowy (EAF) Paula Heroulta został zaprojektowany do przepuszczania prądu elektrycznego przez naładowany materiał, powodując egzotermiczne utlenianie i temperatury do 3272°F (1800°C), więcej niż wystarczające do ogrzewania produkcji stali.
Początkowo używane do produkcji stali specjalnych, EAF zaczęły być używane, a do II wojny światowej były używane do produkcji stopów stali. Niski koszt inwestycji związany z założeniem walcowni EAF pozwolił im konkurować z głównymi producentami amerykańskimi, takimi jak US Steel Corp. oraz stal Betlejemska, zwłaszcza stal węglowa lub wyroby długie.
Ponieważ piece EAF mogą produkować stal w 100% ze złomu lub zimnego surowca żelaznego, potrzeba mniej energii na jednostkę produkcji. W przeciwieństwie do podstawowych palenisk tlenowych, operacje można również zatrzymać i rozpocząć przy niewielkich kosztach. Z tych powodów produkcja za pomocą pieców EAF stale rośnie od ponad 50 lat i obecnie stanowi około 33% światowej produkcji stali.
Produkcja stali tlenowej
Większość światowej produkcji stali, około 66%, jest obecnie wytwarzana w podstawowych instalacjach tlenowych - opracowanie metody oddzielenie tlenu od azotu na skalę przemysłową w latach 60. XX wieku pozwoliło na znaczne postępy w rozwoju tlenu zasadowego piece.
Podstawowe piece tlenowe wdmuchują tlen do dużych ilości stopionego żelaza i złomu stalowego i mogą zakończyć ładowanie znacznie szybciej niż metody z otwartym paleniskiem. Duże statki mieszczące do 350 ton żelaza mogą zakończyć konwersję w stal w mniej niż godzinę.
Opłacalność produkcji stali tlenowej sprawiła, że fabryki z otwartym paleniskiem stały się niekonkurencyjne, a po pojawieniu się produkcji stali tlenowej w latach sześćdziesiątych XX wieku zaczęto zamykać operacje na otwartym palenisku. Ostatni otwarty obiekt w USA został zamknięty w 1992 r., A w Chinach w 2001 r.